Werkstofftechnik 1 Vorlesung PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! E-Modul / Dichte Werkstoffvergleich Dr. Lutwin Spix Quelle :Skolaut; Maschinenbau Springer 112 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Verlag Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Beispiel POM Zugversuch Dr. Lutwin Spix 113 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Wiederholung letzte Vorlesung Praktikum Zugprüfung, PE unterschiedliche Zuggeschwindigkeit Dr. Lutwin Spix 114 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Einflussgrößen Prüfgeschwindigkeit und Prüftemperatur im Zugversuch Einfluss Prüfgeschwindigkeit Einfluss Prüftemperatur 150 150 100 100  [MPa]  [MPa] 50 50 0 0 5 10 5 10  [%]  [%] Dr. Lutwin Spix 116 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Zeit-Temperatur Verschiebungsmodell ε 1 1 log =k∙ − εref T Tref Die Zeit-Temperatur-Verschiebungsgleichung stellt den Zusammenhang zwischen Dehngeschwindigkeit und Temperatur her. Ist bei einer Referenztemperatur und Referenzdehngeschwindigkeit die Spannungs/Dehnungskurve bekannt, kann daraus mit Kenntnis einer Werkstoffkonstanten k die Spannungs/Dehnungskurve bei einer anderen Temepratur oder anderen Dehngeschwindigkeit berechnet werden. Anwendungsbeispiel: Reduzierung der Prüfzeit bei einem Langzeittest, indem man die Prüfung bei einer höheren Temperatur durchführt. Dr. Lutwin Spix Quelle: CH. Bonten Kunststofftechnik 117 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Hanser Verlag 2014 Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Druckbeanspruchung Im Druckversuch werden die Proben uniaxial mit einer Kraft beaufschlagt. Die Proben sind, je nach gesuchter Größe (Festigkeit oder Druck-E-Modul) unterschiedlich. Dr. Lutwin Spix 118 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Mechanische Eigenschaften Schlankheitsgrad Bei Einwirkung einer Druckspannung darf der Prüfkörper nicht ausknicken, da ansonsten ein Eulerscher Stabilitätsfall eintritt. Um das Ausknicken auszuschließen, darf der Schlankheitsgrad λ nicht mehr als 6, in Ausnahmefällen max.10 betragen. Der Schlankheitsgrad λ ist das Verhältnis von Prüfkörperlänge lk zum kleinsten Trägheitshalbmesser i (entspricht dem Trägheitsmoment) seiner Grundfläche A: 𝑙𝑘 𝐼𝑦 λ= mit i= 𝑖 𝐴 i = kleinster Trägheitshalbmesser kleinstes axiales Iy = Flächenträgheitsmoment A = Prüfkörpergrundfläche lk = Prüfkörperlänge λ Prof. Dr. Chr. Barth 119 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Mechanische Eigenschaften Berechnung Trägheitsmomente Prisma Zylinder Rohr x z y l l l b d di da Iy = b d3 Iy = d4 Iy =  (d 4 − d4 ) 12 64 64 a i Prof. Dr. Chr. Barth 120 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Druckbeanspruchung Der Druck-E-Modul wird als Sekantenmodul zwischen 0,05% und 0,25% Stauchung bestimmt. Vorgehen vergleichbar mit Zugversuch. Dr. Lutwin Spix 121 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Druckbeanspruchung Das Spannungs-Stauchungsdiagramm zeigt die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften Spröde und zähe Kunststoffe zeigen deutliche Unterschiede in den Spannungs- Stauchungsdiagrammen. Epoxidharzwerkstoffe tritt ein Bruch bei einer maximalen Kraft auf PS und PMMA: es entsteht ein Druckspannungsfließbereich es gibt duktile Werkstoffe ohne Bruch, z.B. PA a) spröde (Epoxidharz) b) duktil mit Druckfließspannung (PS) c) duktil ohne Druckfließspannung (PMMA) d) duktil ohne Bruch (PA) Dr. Lutwin Spix 122 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Härte Die Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen (in seine Oberfläche) entgegensetzt Viel Widerstand = hohe Härte Prof. Dr. Chr. Barth 123 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Härte Metall Kunststoff Prof. Dr. Chr. Barth 124 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Härte nach „Brinell“, metallische Werkstoffe Dabei wird eine Hartmetallkugel (10 mm, 5 mm, 2,5 mm und 1 mm) mit einer festgelegten Prüfkraft F in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt. Die Prüfkraft wird rechtwinklig zur Prüffläche stoßfrei und schwingungsfrei aufgebracht und innerhalb von 5 bis 8 Sekunden gesteigert und dann konstant belastet: 10-15 s für Stähle/Gusseisen und 10-180 s für Nichteisenmetalle und deren Legierungen. Der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstück wird gemessen und daraus die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. 𝑑1 +𝑑2 0,102∗2∗𝐹 𝑑= 𝐻𝐵𝑊 = 2 𝜋∗𝐷∗(𝐷− 𝐷2 −𝑑 2 ) Die Brinellhärte ist definiert als das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche. Dr. Lutwin Spix 126 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Video Vickers Härte [HTW Berlin] Dr. Lutwin Spix 127 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Härte nach „Rockwell“, metallische Werkstoffe 1. Vorkraft aufgeben – bei HRA, HRB, HRC usw.: 10 kp (≈98 N); bei HRN und HRT: 3 kp (≈29,4 N) 2. Messuhr nullen 3. Hauptkraft zusätzlich aufgeben, z. B. HRB = 90 kp (≈882,6 N), HRC = 140 kp (≈1372,9 N) 4. Einwirkdauer hängt vom Kriechverhalten des Stoffes ab: 2–3 s: für Metalle ohne zeitabhängiges plastisches Verhalten 3–6 s: für Metalle mit zeitabhängigem plastischen Verhalten 5. Hauptkraft aufheben 6. Härtewert an der Messuhr ablesen 7. Vorkraft aufheben Dr. Lutwin Spix 128 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Härte nach „Shore“ für Elastomere und Kunststoffe Ein Shore-Härte-Prüfer besteht aus einem federbelasteten Stift aus gehärtetem Stahl. Die Eindringtiefe in das zu prüfende Material ist ein Maß für die Shore-Härte, die auf einer Skala von 0 Shore (2,5 Millimeter Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 Millimeter Eindringtiefe) gemessen wird. Eine hohe Zahl bedeutet also eine große Härte. Bei der Bestimmung der Shore-Härte spielt die Temperatur eine höhere Rolle als bei metallischen Werkstoffen. Solltemperatur von 23 °C +/-2K Die Materialdicke sollte mindestens 6 Millimeter betragen. Shore-A wird angegeben bei Weich-Elastomeren, nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Auflagegewicht: 1 kg, Haltezeit: 15 s. Shore-D wird angegeben bei Zäh-Elastomeren nach Messung mit einer Nadel, Auflagegewicht: 5 kg, Haltezeit: 15 s Prof. Dr. Chr. Barth 129 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften Shore Härte Dr. Lutwin Spix 130 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften SHORE Härte wichtiger Kunststoffe Dr. Lutwin Spix 131 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 133 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Kunststoffe im Werkstoffvergleich Werkstoffe Metalle Nichtmetalle Eisen- Nichteisen- natürliche synthetische metalle metalle Werkstoffe Werkstoffe Gusseisen Stähle Schwer- Leicht- anorganische organische anorganische organische metalle metalle Werkstoffe Werkstoffe Werkstoffe Werkstoffe Mo Mn Ni Cr Au Ag Pt Al Mg Ti Be Talkum Glas Asbest Keramik Bau- Werkzeug- Pb Sb Sn Cu Zn Graphit stahl stähle Kunststoffe pflanzliche tierische Werkstoffe Werkstoffe Thermoplaste Duroplaste Elastomere Holz Leder Verwendung meist als Harze Wolle Legierungselemente Kork Baumwolle Prof. Dr. Chr. Barth 134 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Kunststoffe im Werkstoffvergleich Was wurde bisher gezeigt: Anwendung von Kunststoffen (Mengen, Märkte, Preise) „Magisches Dreieck“ von Kunststoffen (Dauergebrauchstemperatur) Eigenschaften von Werkstoffen Dichte Wärmekapazität Wärmeleitung Wärmeausdehnung Härte Zug- / Druckfestigkeit E-Modul Dr. Lutwin Spix 135 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe im Werkstoffvergleich Was wurde bisher gezeigt: Dr. Lutwin Spix 136 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe im Werkstoffvergleich Prof. Dr. Chr. Barth 137 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  [G. Abts: Kunststoffwissen für Einsteiger S.57 ] Dr. Lutwin Spix 138 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe im Werkstoffvergleich 4.11.24 in der Vorlesung Vorteile von Kunststoffen Nachteile von Kunststoffen Lange Lebensdauer (Stahl rostet) Zersetzen sich nicht biologisch, lange Zersetzungsdauer; Ausnahme PLA Bioabbaubare Kunststoff Elektr. Widerstand Isolator Schlechte UV-Beständigkeit Gute Verarbeitbarkeit im vergl. Metall Schlechte Temperaturbeständigkeit Preisgünstig im vergl. zu Metall Hohe Temperaturabhängigkeit der Werkstoffeigenschaften Individuell Anpassbar vergl. Holz Niedriger E-Modul, niedrige Steifigkeit Niedrigere Dichte Hohe Längenausdehnung Dr. Lutwin Spix 139 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe im Werkstoffvergleich [G. Abts: Kunststoffwissen für Einsteiger S.56 ] Dr. Lutwin Spix 140 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststoffe im Werkstoffvergleich Eigenschaften K haben eine viel niedrigere Dichte als Metalle und Keramiken K können in einem Arbeitsgang zu vergleichsweise geringen Kosten in komplizierte Geometrien geformt werden K besitzen eine deutlich geringere Steifigkeit und geringere Festigkeit als Metalle K kriechen bei fortwährender Belastung, das tun Metalle und keramische Werkstoffe nicht. K erlauben bei dynamischer Beanspruchung weit geringere Kräfte und Frequenzen , aber eine höhere Auslenkung als Keramiken und Metalle. Elastomere haben von den Kunststoffen die größte Beständigkeit bei dynamischen Belastungen. K haben eine Glastemperatur nahe der Gebrauchstemperatur (was deutliche Einflüsse auf Elastizitätsmodul und Festigkeit hat), im Gegensatz zur Schmelztemperatur von Metallen oder keramischen Werkstoffen K haben eine erheblich schlechtere elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit als Metalle Dr. Lutwin Spix 141 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!